5.1.7　层次化模型实例

5.1.7　层次化模型实例

5.1.7.1　模型构建实例

以蓄电池组为例介绍层次化模型建立方法。

在系统层级，每个蓄电池组（Group）对系统的贡献为电压、电流两个变量，对外部其他模型，主要以功能接口传递电流i、电压v信息。蓄电池组主要配置参数为蓄电池总容量Q、额定电压V、初始容量Qini。对于系统，主要监测的是蓄电池组整体模型的变量SOC、实时输入功率PowerIn、实时输出功率Power-Out。基于此分析，该层次的蓄电池组模型应为经过一定等效后的简化模型，不涉及蓄电池单体原理及模型，只保留其外部电流i、电压v特性及可配置的参数Q、V。系统层蓄电池组整体模型如图5-6所示。

图5-6　系统层蓄电池组整体模型

对于设备层模型，每个蓄电池组由多个机组（Unit）组成，每个机组对系统的贡献为电压、电流两个变量，经过汇集后，由蓄电池组对外部输出。此时，蓄电池组主要可配置参数为蓄电池机组数Units，每个机组可配置的参数为机组的额定容量Q、额定电压V、初始容量Qini。这些参数均可由系统层蓄电池组整体模型的参数Q、V、Qini等分解得到。对于系统，主要监测的是蓄电池组中各个机组的荷电状态SOC，并经过计算得到整个蓄电池组的SOC，以及每个机组的实时输入功率PowerIn_Unit、实时输出功率PowerOut_Unit，并经过计算得到整个蓄电池组的输入/输出功率PowerIn、PowerOut。设备层蓄电池组模型如图5-7所示。

对于电路层模型，每个蓄电池组机组由多个蓄电池单体组成，一般每个单体的电池对系统的贡献为电压、电流两个变量，经过汇集、接口电路转换后，由蓄电池组对外部输出，并结合接口数据单（Interface Data Sheet，IDS）的线缆分支信息，分为多路进行功率传输。此时，蓄电池组主要可配置参数为蓄电池机组数Units、单体的串联数Ns、并联数Np；每个单体的可配置的参数为单体的额定容量Q、额定电压V、初始容量Qini。这些参数均可由设备层蓄电池组整体模型的参数Q、V、Qini、Units及蓄电池的选型情况等分解得到。电路层蓄电池组模型如图5-8所示。

图5-7　设备层蓄电池组模型

图5-8　电路层蓄电池组模型

对于系统，主要监测的是蓄电池组中各个单体的荷电状态SOC，并经过计算得到整个机组的SOC，进而得到整个蓄电池组的SOC；监测每个单体的实时输入功率PowerIn_Cell、实时输出功率PowerOut_Cell，并经过计算得到各个机组的输入/输出功率PowerIn_Unit、PowerOut_Unit，从而计算得到整个蓄电池组的输入/输出功率PowerIn、PowerOut。

在这一层模型中，蓄电池组模型主要应表现出单体蓄电池的物理特性及连接关系，每个单体模型需要保留其外部电流i、电压v特性，内部动态特性，SOC与v的关系特性等，需要有详细的配置参数及连接关系、接口电路，模型分为多路进行功率传输，该层次的模型是整个电源系统仿真最细致、最复杂的模型。

5.1.7.2　可视化实例

针对上述基于特定域模型的航天器电源架构设计方法，开发了对应架构建模、仿真与可视化工具，并在“嫦娥五号”飞行试验器的电源系统设计中进行了应用验证。

“嫦娥五号”飞行试验器由服务舱和返回器组成，服务舱采用全调整总线供电方式，内部有两条总线，每条总线连接一个太阳能电池阵列、一个氢镍蓄电池和一个电源控制器。两条总线通过主控制器并联输出，形成统一的公共总线，为负载供电。

采用自顶向下的方式，设计“嫦娥五号”飞行试验器的电源架构，构建不同层次的DSM模型，如图5-9所示。它包含近150个电子设备和超过10 000个连接。在架构设计中，现有模型的数量可以重复使用和扩展。

为了支持从架构模型到Modelica模型的转换，构建了不同层次的元模型和对应Modelica模型库。基于电源架构模型，开展了系统能量平衡与功率流分析，验证设计是否符合技术指标要求。图5-10展示了该工具中电源架构的4种视图。DSM模型为电源架构设计视图，Modelica模型为电源架构仿真视图，空间环境为电源系统的外部环境接口视图，同时实时显示仿真结果。

图5-9　飞行试验器的可视化架构

图5-10　面向电源系统的架构建模、仿真与可视化工具